CN106866234B - 一种高效降解畜禽粪便中抗生素的堆肥方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高效降解畜禽粪便中抗生素的堆肥方法，通过在堆肥原料中加入特定用量的抗生素降解促进剂，使用特定的堆肥步骤，能显著促进堆肥中磺胺类、四环素类、大环内酯类、氟喹诺酮类等多类型抗生素降解，同时降低堆肥中有效态重金属含量。抗生素降解促进剂由活性炭、凹凸棒土组成，也可与包括活性炭和黄孢原毛平革菌的生物活性炭共同使用。

Description

一种高效降解畜禽粪便中抗生素的堆肥方法

技术领域

本发明属于环境污染修复技术领域，特别涉及一种高效降解畜禽粪便中抗生素的堆肥方法。

背景技术

有机肥料农用是养殖固体废弃物资源化利用较为经济有效的方式之一。在目前国家倡导化肥减量的形式下，有机肥在农业中的作用将会越来越大。长期、大量的养殖源粪便有机肥的施用也增加了土壤中抗生素的残留。土壤兽用抗生素污染已成为一个全球性普遍存在的问题，大多数抗生素具有较高的生物活性, 其必然存在一定的潜在生态环境风险。

由于畜禽粪便有机肥是环境中抗生素污染的主要贡献者，以有机肥中残留抗生素去除为核心的抗生素污染风险控制技术，是一种源头控制策略，可以实现畜禽养殖与种植业的安全链接，推动农业可持续发展。但是，当前针对有机肥生产环节来开展抗生素污染防控技术研究还较少。堆肥处理是有机肥生产中的必备环节，在这个过程中，减少有机肥中抗生素残留，阻断或减少污染向农田土壤的输入，是最经济可行的一项策略。

抗生素残留于生态环境中可以通过吸附、水解、光解、氧化降解和生物降解等途径减少其对生态环境的危害。用堆肥的方法处理畜禽粪便帮助降解其中的抗生素残留是目前主要的畜禽粪便抗生素去除手段。但是我们也发现，很多畜禽粪便虽然也经过堆肥处理，但是其仍然残留有大量的抗生素。可见，提高堆肥抗生素降解能力意义重大。

目前也有一些技术用于提高畜禽粪便中抗生素的去除。“一种高效降解畜禽养殖粪便中四环素类抗生素的堆肥方法”（CN201511004438.8），通过在畜禽粪便与堆肥原料共同堆肥，达到高效降解抗生素的目的，采用的堆肥原料中各组分的重量百分比为：玉米秸秆30-50%、小麦秸秆30-50%、花生壳5-15%、白薯秧5-15%。但是，该专利并没有比较不添加堆肥原料和添加堆肥原料抗生素的降解率，所以无法了解堆肥原料对畜禽粪便中抗生素降解的促进效果，且该方法仅针对四环素类抗生素。中国专利授权了一项“一种竹炭猪粪堆肥去除抗生素的方法”（CN 103387432B），利用风干锯末、腐熟粪便和竹炭合理的复配在一起，经过高温堆肥发酵，高效去除畜禽粪便中有害抗生素。本发明方法针对不同性质的畜禽粪便堆肥原料，通过新型堆肥用抗生素降解促进剂的使用和特定的堆肥步骤，强化畜禽粪便中四环素类、氟喹诺酮类等各种抗生素的降解，相比常规堆肥，本发明方法明显了降低畜禽粪便中抗生素的残留。此外，本发明方法使用的抗生素降解促进剂的必备成分是活性炭和凹凸棒土，也可以配合活性炭固定化菌剂，在活性炭和凹凸棒强化堆肥抗生素降解的同时，利用抗生素降解菌剂的生物降解能力进一步加强堆肥中四环素类抗生素降解。

此外，与以往的畜禽粪便抗生素去除方法不同的是，本发明方法中活性炭、凹凸棒土以及活性生物炭不仅可以明显提高畜禽粪便堆肥中抗生素降解，还可以减少堆肥中重金属有效态含量，钝化重金属，降低重金属的生物有效性。在实际生产中，畜禽粪便有机肥往往伴随抗生素和重金属的复合污染。据统计，我国每年使用的微量元素添加剂约为15～18万吨，大约有10万吨左右未被动物利用而随禽畜粪便排出。据调查，当前部分有机废弃物中的重金属含量与上个世纪90年代初相比， Zn、Cu、Cr增加了2~4倍。因此，本发明方法是一项畜禽粪便中抗生素和重金属复合污染修复方法。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种高效降解畜禽粪便中抗生素的堆肥方法，通过在堆肥原料中加入特定用量的抗生素降解促进剂，使用特定的堆肥方法，显著促进堆肥中磺胺类、四环素类、大环内酯类、氟喹诺酮类等多类型抗生素降解，同时钝化重金属，降低堆肥中重金属的生物有效性，是一项畜禽粪便中抗生素和重金属复合污染修复方法。

本发明提供一种高效降解畜禽粪便中抗生素的堆肥方法，步骤如下：

（1）准备畜禽粪便；

（2）原料判断，判断上述畜禽粪便中外源辅料含量和种类；

当所用畜禽粪便为不含有外源辅料或外源辅料含量按质量比小于或等于5%的畜禽粪便，则经步骤（3）和步骤（4）进入步骤（5）；

当所用畜禽粪便中外源辅料含量按质量比大于5%的畜禽粪便，则经过步骤（3）直接进入步骤（5）；

（3）向堆肥原料中加入抗生素降解促进剂，翻堆，混合均匀；

（4）向步骤（3）处理后的物料中添加10%-20%的木屑，翻堆，混合均匀；

（5）采用pH试纸测定混合物料的pH；

当混合物料pH为弱酸性或酸性，则经步骤（7）直接进入步骤（8）；

当混合物料pH为碱性，则经步骤（6）和步骤（7）进入步骤（8）；

（6）向混合物料中喷洒或添加pH调节剂，将物料pH调节至6.2-7.0；

（7）混合均匀，堆制成条形，调节水分含量为60%-65%；

（8）槽式好氧堆肥发酵，每周翻堆至少1次，堆肥时间为35-48天。

本发明的堆肥方法进一步设置为，上述抗生素降解促进剂包括活性炭和凹凸棒土，活性炭为畜禽粪便干重的0.8%-2%，凹凸棒土为畜禽粪便干重的5%-10%。

本发明的堆肥方法进一步设置为，上述抗生素降解促进剂包括活性炭、凹凸棒土和生物活性炭，活性炭为畜禽粪便干重的0.5%-1.5%，凹凸棒土为畜禽粪便干重的5%-10%，生物活性炭为畜禽粪便干重的0.5%-1%。

本发明的堆肥方法进一步设置为，上述生物活性炭，其通过活性炭固定化黄孢原毛平革菌制备而成。

本发明的堆肥方法进一步设置为，上述生物活性炭，制备步骤依次如下：

（A）菌株活化培养，将黄孢原毛平革菌斜面保藏物接种到马铃薯葡萄糖固体培养基，置于35℃下培养3-5天，直至形成大量孢子；

（B）孢子悬液的制备，在PDA固体培养基上加入一定量Tween80-NaCl溶液，三角刮刀轻轻刮落孢子，混入水中，吸取含孢子的水溶液，过滤除去菌丝，滤液经血球计数板计数并稀释至孢子浓度为10⁸/ml，作为种子液；

（C）按照2.5%-5%接种量将种子液接种到KirK培养液中，35℃培养3天后，向液体中加入1.5%-2.5%的活性炭，继续培养2天；

（D）随后过滤，收集固体部分；

（E）37℃以下鼓风烘干后，形成生物活性炭，室温保存；

本发明的堆肥方法进一步设置为，上述步骤（A）中为KirK培养液，其包括：KH2PO42.0g、 MgSO4·7H2O 0.71g、 VB1 0.01g、酒石酸铵 0.2g、葡萄糖10 g、微量元素液100 mL、缓冲溶液850 mL、缓冲溶液为20 mmol/L酒石酸钠缓冲液：3.0018g酒石酸 / 1000mL ，用3%(m/v)的NaOH 调节pH为4.5，吐温80（0.1% V/V）； Kirk 培养基的微量元素液（L^-1）：NaCl1.0g、CoCl2·6H2O 0.18g、Na2MoO4·2H2O 0.01g、ZnSO4·7H2O 0.1g、CaCl2 0.1g、CuSO4·5H2O 0.01g、MnSO4·H2O 0.5g, FeSO4·7H2O 0.1g、AlK(SO4)2·12H2O0.01g,MgSO4·7H2O 3.0g、 H3BO3 0.01g,NTA 1.5g 。

本发明的堆肥方法进一步设置为，上述畜禽粪便为猪粪、鸡粪中的任意一种或两种混合物。

本发明的堆肥方法进一步设置为，上述外源辅料包括木屑、菇渣、农糠中一种或多种。

本发明的针对性措施在于以下几点：

1、本发明方法针对不同性质的畜禽粪便堆肥原料，通过新型堆肥用抗生素降解促进剂的使用和独特的堆肥方法提高堆肥降解畜禽粪便中抗生素的能力。

2、抗生素降解促进剂的必备成分为活性炭和凹凸棒土，活性炭用量为畜禽粪便干重的1%，凹凸棒土为畜禽粪便干重的5%。除了必备成分，在抗生素降解促进剂中添加0.5%生物活性炭，通过能高效降解四环素和吸附镉Cd的固定化黄孢原毛平革菌的生物作用，可以进一步增强堆肥中四环素类抗生素降解和重金属Cd的钝化。

3、根据堆肥原料是否需要添加辅料，选择在未添加辅料的堆肥原料中添加10%的木屑，可以促进堆体中抗生素降解。其中相比菇渣、农糠，木屑是促进堆肥中抗生素降解最好的促进剂，其对抗生素降解的促进效率在三种辅料中最佳，具有不可替代性。

本发明的优点在于：

1. 本发明方法能显著促进堆肥中磺胺类、四环素类、大环内酯类、氟喹诺酮类等多类型抗生素降解，对四环素类、氟喹诺酮类抗生素降解的促进作用较强，相比常规堆肥，明显了降低畜禽粪便中抗生素的残留，其中四环素类残留浓度降低20%以上。

2、本发明方法中活性炭、凹凸棒土以及活性生物炭不仅可以明显提高畜禽粪便堆肥中抗生素降解，还可以减少堆肥中重金属有效态含量，钝化重金属，降低重金属的生物有效性。因此，本发明方法是一项畜禽粪便中抗生素和重金属复合污染修复技术。

3.本方法操作方便，凹凸棒土、活性炭来源广泛，成本不高，可直接在现有堆肥工艺基础上应用。本发明的添加剂天然、环境友好、本身无毒，加入堆肥中后无需分离，进入土壤后是良好的土壤改良剂，能提高土壤的保肥效果。

附图说明

图1 常规堆肥（CK）和抗生素降解技术处理（T1）中抗生素残留浓度变化。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明的方法、步骤或条件所做的修改或替换，均属于本发明范围，若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟悉的常规手段。

活性炭市售活性炭，颗粒大小在80-120目；凹凸棒土市售，颗粒大小在80-120目。黄孢原毛平革菌：从菌种保藏库购买。

实施例1

（1）堆肥原料为猪粪-辅料混合物，pH为酸性。

（2）向原料中加入占原料湿重1%的活性炭和5%的凹凸棒土，翻堆2-3次，混合均匀；

（3）测定堆体pH，发现堆体pH在6-7之间；

（4）混合均匀，堆制成条形，调节水分含量在60%-65%之间，每5-7天翻堆一次，发酵时间为42天。

实施例2

（1）堆肥原料为猪粪，无辅料添加，pH为碱性。

（2）向原料中加入占原料湿重1%的活性炭、5%的凹凸棒土和 10%的木屑，翻堆2-3次混合均匀；

（3）测定堆体pH，堆肥pH呈弱碱性，因此在堆体中喷洒醋酸，将堆体pH调节至6-7之间；

（3）混合均匀，堆制成条形，调节水分含量在60%-65%之间，每5-7天翻堆一次，发酵时间为35-49天。

实施例3

与实施1的区别在于：在步骤（2）中加入占原料湿重1%的活性炭、5%的凹凸棒土、10%的木屑和0.5%生物活性炭。

实施例4

与实施2的区别在于：在步骤（2）中加入占原料湿重1%的活性炭、5%的凹凸棒土和0.5%生物活性炭。

实施例5

所述生物活性炭制备方法为：（1）菌株活化培养，将黄孢原毛平革菌斜面保藏物接种到PDA平板，置于35℃下培养3-5天，直至形成大量孢子；（2）孢子悬液的制备，在PDA固体培养基上加入一定量Tween80-NaCl溶液（0.1%吐温80,0.85% 氯化钠），三角刮刀轻轻刮落孢子，混入水中，吸取含孢子的水溶液，过滤除去菌丝，滤液经血球计数板计数并稀释至孢子浓度为10⁸/ml，作为种子液；（3）按照5%接种量将种子液接种到KirK培养液中，35℃培养3天后，向液体中加入2%的活性炭，继续培养2天；（4）随后过滤，收集固体部分；（5）室温烘干后，形成生物活性炭，室温保存。KirK培养基配方（1L）： KH2PO4 2.0g, MgSO4·7H2O0.71g, VB1 0.01g, 酒石酸铵 0.2g, 葡萄糖10 g 。微量元素液100 mL。缓冲溶液850 mL左右。缓冲溶液为 20 mmol/L酒石酸钠缓冲液：3.0018g酒石酸 / 1000mL ，用 3%(m/v) 的NaOH 调节pH为 4.5，吐温80（0.1% V/V）。 Kirk 培养基的微量元素液（L^-1）：NaCl 1.0g,CoCl2·6H2O 0.18g, Na2MoO4·2H2O 0.01g, ZnSO4·7H2O 0.1g, CaCl2 0.1g, CuSO4·5H2O 0.01g, MnSO4·H2O 0.5g, FeSO4·7H2O 0.1g, AlK(SO4)2·12H2O0.01g, MgSO4·7H2O 3.0g, H3BO3 0.01g, NTA（甘氨酸）1.5g 。

性能测试：

1、黄孢原毛平革菌的抗生素和重金属钝化性能

（1）试验材料

菌种活化：将黄孢原毛平革菌斜面保藏物接种到PDA平板，置于35℃下培养3-5天。

生物活性炭：制备方法同实施例3。

（2）土霉素降解试验

在5ml KirK培养基加入100mg/kg 土霉素，形成降解培养基。设置两个处理： T1处理，用接种环从PDA平板中挑取部分菌培养物到降解培养基中，35℃，120rpm，避光培养； T2处理，在降解培养基中按照降解培养基体积的1%加入生物活性炭，35℃，120rpm。设置降解培养基空白对照。培养一定时间后，取培养液过滤，利用高效液相色谱法测定滤液中土霉素残留浓度。

（3）Cd吸附试验

在5ml KirK培养基加入10mg/L 镉离子，形成镉培养基。设置两个处理：A处理，用接种环从PDA平板中挑取部分菌培养物到镉培养基，35℃，120rpm，避光培养； B处理，在镉培养基中按照镉培养基体积的1%加入生物活性炭，35℃，120rpm。培养一定时间后，取培养液过滤，用原子分光光度计测定滤液中剩余的镉离子浓度。

（4）结果

在土霉素初始浓度为100mg/L时，培养5天后，T1和T2滤液中土霉素残留浓度比对照组分别降低41%和60%；在镉的初始浓度分别为 10mg/L时，培养3天后，A处理滤液中镉离子浓度降低48%和52%。因此，黄孢原毛平革菌及利用其制备的生物活性炭均具有土霉素降解和镉吸附能力。

2、抗生素降解和重金属钝化堆肥试验

（1）试验材料

堆肥原料为猪粪与菇渣的1:1混合物，由当地有机肥料厂提供，基本理化指标如下：含水率68.5%；pH_（1:10） 6.5；EC_（1:10）电导率 4403μs/cm；碳氮比15.4；有机质（风干基）70.1%；总氮（风干基）2.6%；总磷 1.75%；总钾 1.82%。猪粪中检出5种磺胺类、5种喹诺酮类、4种四环素类和1种大环内酯类抗生素，其中每千克干猪粪中四环素类总残留浓度为2178μg，喹诺酮类总残留浓度222μg(μg微克)，磺胺类总残留浓度874μg以及大环内酯类总残留浓度1.1μg，共3275μg抗生素。

抗生素降解促进剂：活性炭、凹凸棒土。

（2）试验方法

好氧堆肥试验于2016年夏季在浙江省衢州市某有机肥料厂开展。设置2个试验处理：CK：对照处理，取4吨堆肥原料，堆制成条形，按该有机肥料厂习惯进行翻堆，堆肥时间为42天；T1：取4吨堆肥原料，向原料中加入占原料湿重1%的活性炭和5%的凹凸棒土，翻堆2-3次，混合均匀，堆制成条形；用pH试纸测定堆肥pH，堆体pH为6.8，水分含量60%，因此不需要调节pH和水分；每5-7天翻堆一次，堆肥时间为42天。堆肥期间当地平均最高气温32℃，平均最低气温23℃。

采样：每隔一周采样1次直到堆肥结束，采集堆体不同部位样品进行混合，保证采样代表性。

有机肥料中抗生素浓度测定：采用固相萃取提取抗生素，高效液相色谱与串联质谱联用技术（HPLC/MS/MS）进行分析。

有效态重金属测定：重金属测定参照GB/T 23349-2009的规定执行，有效态含量采用0.05mol/L DTPA提取法后测定重金属。根据测定结果，按以下公式计算有效态重金属的分配率和钝化率：分配率=（有效态重金属含量/重金属全量)×100%；抗生素降解促进技术对重金属生物有效性的降低效果计算方法：钝化效果(%)=（对照组有效态重金属含量―处理组有效态重金属含量）/对照组有效态重金属含量×100%。

（3）结果

从图1可知，抗生素降解促进技术在有机肥生产中的应用可以显著促进堆肥过程中抗生素降解，降低有机肥产品中抗生素残留浓度。42天堆肥后，抗生素降解促进技术处理有机肥中总抗生素残留浓度比常规堆肥处理降低30%，其中氟喹诺酮类抗生素残留浓度比常规堆肥处理有机肥低17%，抗生素降解促进技术处理有机肥中四环素类抗生素残留浓度比常规堆肥处理有机肥低43%。

从表1可知，抗生素降解技术T1处理可以降低猪粪有机肥中有效态Cμ、Zn、As和Cd含量，降低有机肥中有效态重金属分配率。堆肥42天，抗生素降解技术对有机肥中铜Cμ、锌Zn、砷As和镉Cd的钝化效率分别为6.9%、10.1%、23.5%和19.1%。

表1 常规堆肥（CK）和抗生素降解技术处理（T1）中有效态重金属含量及分配率

综上，采用本发明方法，利用抗生素降解促进剂的添加，不仅可以加速堆肥中抗生素降解，降低堆肥产物中抗生素残留，还可以降低堆体中有效态重金属含量，钝化重金属，实现抗生素-重金属污染的同步治理控制，减少伴随有机肥施用带来的土壤环境污染和农产品质量安全问题。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.木屑、活性炭和凹凸棒土在降解畜禽粪便中抗生素的应用，其特征在于，步骤如下：

（1）准备畜禽粪便；

（2）原料判断，判断所述畜禽粪便中外源辅料含量和种类；

所用畜禽粪便为不含有外源辅料或外源辅料含量按质量比小于或等于5%的畜禽粪便，所述外源辅料包括木屑；

（3）向堆肥原料中加入抗生素降解促进剂，翻堆，混合均匀；所述抗生素降解促进剂包括活性炭和凹凸棒土，活性炭为畜禽粪便干重的0.8%-2%，凹凸棒土为畜禽粪便干重的5%-10%；

（4）向步骤（3）处理后的物料中添加10%-20%的木屑，翻堆，混合均匀；

（5）采用pH试纸测定混合物料的pH；

当混合物料pH为弱酸性或酸性，则经步骤（7）直接进入步骤（8）；

当混合物料pH为碱性，则经步骤（6）和步骤（7）进入步骤（8）；

（6）向混合物料中喷洒或添加pH调节剂，将物料pH调节至6.2-7.0；

（7）混合均匀，堆制成条形，调节水分含量为60%-65%；

（8）槽式好氧堆肥发酵，每周翻堆至少1次，堆肥时间为35-48天。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述抗生素降解促进剂包括活性炭、 凹凸棒土和生物活性炭，活性炭为畜禽粪便干重的0.8%-1.5%，凹凸棒土为畜禽粪便干重的 5%-10%，生物活性炭为畜禽粪便干重的0.5%-1%。

3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述生物活性炭，其通过活性炭固定化黄孢原毛平革菌制备而成。

4.根据权利要求2或3所述的应用，其特征在于，所述生物活性炭，制备步骤依次如下：

（A）菌株活化培养，将黄孢原毛平革菌斜面保藏物接种到马铃薯葡萄糖固体培养基，置于 35℃下培养3-5天，直至形成大量孢子；

（B）孢子悬液的制备，在PDA固体培养基上加入一定量Tween80-NaCl溶液，三角刮刀轻轻刮落孢子，混入水中，吸取含孢子的水溶液，过滤除去菌丝，滤液经血球计数板计数并稀释至孢子浓度为10⁸/mL，作为种子液；

（C）按照2.5%-5%接种量将种子液接种到KirK培养液中，35℃培养3天后，向液体中加入1.5%-2.5%的活性炭，继续培养2天；

（D）随后过滤，收集固体部分；

（E）37℃以下鼓风烘干后，形成生物活性炭，室温保存。

5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述畜禽粪便为猪粪、鸡粪中的任意一种或两种混合物。

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